第九章材料科技館的發展介紹(2 / 3)

15燃氫汽車

儲氫合金的未來最大用戶很可能是燃氫汽車。這是因為氫產生的熱能大,而且沒有汙染。例如,一種鎂鎳儲氫合金製成的汽車氫燃料箱自身重100千克,而所吸收的氫的熱能卻相當於40千克汽油所散發的熱量。美國、日本、德國都在積極研製燃氫汽車,我國也在這方麵進行開發研究。1980年,我國研製成的一輛燃氫汽車樣車,用90千克重的氫燃料箱,以每小時50千米的速度行駛40多千米,當時車內乘員12人。如果采用同樣重的蓄電池,隻能行駛8千米。日本工業技術院研製的燃氫汽車已正式投入行駛,時速達100千米以上,充一次氫氣可行駛200千米以上。目前,多采用鈦係、稀土係和鐵鈦錳儲氫合金製作儲氫燃料箱。

16無鎳鉻不鏽鋼

人們在近年來開發出既無鎳又不含鉻和鈷的一類新型廉價的不鏽鋼品種,其主要成分是錳、鋁,其中含錳5%~30%,含鋁5%~12%,含碳不高於1%。

這種以鋁、錳為主角的無鎳鉻不鏽鋼,其中的鋁是用來提高鋼材抗腐蝕、抗氧化性的重要元素,而錳則是用來改善鋼的物理性能的合金元素。因此,這種新型不鏽鋼具有良好的耐腐蝕性、耐高溫強度和抗高溫氧化性。

17鐵素體不鏽鋼

有些國家還研製成不含鎳的鐵素體不鏽鋼。這類不鏽鋼的顯微組織是由一種在金屬學上稱為鐵素體的結晶所組成,所以將它定名為鐵素體不鏽鋼。

日本住友金屬公司開發的含鉻不超過17%的無鎳鐵素體不鏽鋼,其加工性能和表麵質量都優於常用的鎳鉻不鏽鋼。由於它含銅而大大改善了耐蝕性,適合用於製造像浴缸、汽車內襯板、窗框等要求美觀且耐蝕性的製品。

18塗漆彩色不鏽鋼

塗漆彩色不鏽鋼是在普通的鎳鉻不鏽鋼的表麵上,塗以耐大氣腐蝕的高級有機塗料。這些塗料主要有矽酮聚酯樹脂係塗料、矽酮丙烯樹脂係塗料和氟化乙烯樹脂係塗料。用這些塗料生產的塗漆彩色不鏽鋼,加工性良好,比不鏽鋼本身更加美觀,而且表麵塗漆層附著牢靠,不用擔心剝落和生鏽,經久耐用。

彩色不鏽鋼由於有著華麗的外表,因而主要用作建築物的內外裝飾板、屋頂、門窗等,以及用於工藝美術、太陽能吸收體、家用電器和儀器儀表等方麵。

19形狀記憶不鏽鋼

人們發現,有些不鏽鋼也具有形狀記憶的特殊本領。例如,含鉻高於13%的高耐蝕性不鏽鋼和含鉻少於13%的耐蝕性不鏽鋼就具有良好的形狀記憶性能,被稱為形狀記憶不鏽鋼。

這兩種形狀記憶不鏽鋼比鎳鈦和銅係形狀記憶合金的價格更便宜,而且容易加工。它們的可加工性能與常用的鎳鉻不鏽鋼基本相同,可以利用現有的不鏽鋼加工設備加工成板、棒、箔、絲、管等各種型材,而且容易製成厚度為0.3毫米的薄板和直徑小於1毫米的絲材等。

形狀記憶不鏽鋼可用來製作緊固件、管接頭、夾具、金屬村裏等,也適合用於製作電路自動斷路器、火災報警器等溫度敏感器件。

20防振合金

噪音是由振動產生的。這種引起噪音並使它在空氣或固體中傳播的振動也是一種能量,叫做聲能。振動得越厲害,聲能也越大,人們聽到的聲響也就越強。

防振合金能消除噪音的秘密,就在於能利用材料本身的特點把引起振動發聲的能量轉化成為其他形式的能量(比如熱能),這樣,聲音就被抑製得很弱,或者完全聽不到了。

材料本身能消耗掉通過的能量,這種現象叫做“內耗”。引起金屬內耗的一般原因是晶格中間隙的原子跳動、位錯運動、原子微擴散和磁性變化等。而防振合金就是要最大限度地引起內耗,以使噪音的能量消耗掉。通常按照引起內耗的不同,人們將防振合金分為複合型防振合金、鐵磁型防振合金、位錯型防振合金和雙晶型防振合金等。

21複合型防振合金

複合型防振合金主要有鋅鋁合金、片狀石墨鑄鐵和球墨鑄鐵等。這種防振合金與複合材料一樣,都是由兩種不同的成分組成的,一種是高韌性的基體,另一種是嵌在基體中的柔軟顆粒。在兩種不同組織成分的交界麵上很容易產生變形,而變形就是內耗的作用過程,它像海綿吸水一樣吸收和消耗外部的振動能,從而達到消除和抑製噪音的作用。這類防振合金中的典型代表是片狀石墨鑄鐵和鋅鋁合金。片狀石墨鑄鐵在發生內耗時,首先是基體與石墨組織交界麵上的滑移變形,接著是在軟石墨中的塑性變形,以及基體組織因局部應力集中而產生的塑性變形等,以此來消耗振動能而達到減振的目的。因此,片狀石墨含量越多的鑄鐵減振效果就越好,而球墨鑄鐵的減振性能就較差,必須將球墨用諸如軋製的方法壓扁,才能提高其減振和防振的性能。鋅鋁合金主要是通過兩種組織交界麵的滑移變形來起到減振作用的,屬於這一類合金的還有鋁錫合金和鋁矽合金等。

22鐵磁型防振合金

鐵磁型防振合金主要是依靠材料的磁性變化來消耗振動能的。這是因為鐵磁材料在機械振動時存在有附加的磁損耗,它由不同的渦流所組成,可消耗較多的動能。屬於這類防振合金的有鉻鋁鋼、鉻鋁錳鋼和鈷鎳合金等。這類合金的使用溫度高,加工性能好,是很重要的一類賣用減振合金。

23位錯型防振合金

位錯型防振合金主要是以材料組織的位錯來消耗振動能的。位錯實際上是金屬材料中存在的一種線狀晶格缺陷。在充分退火的材料中,每平方厘米大約含有100萬個位錯。通過對材料進行塑性加工,就會使位錯急劇增加,而位錯互相聯合就會形成位錯網絡等形式。在交變應力作用下,位錯就會像弓弦一樣產生振動,從而將能量消耗掉。這就是說,位錯運動時產生內耗。這種內耗就能起到減振和防振作用。屬於這類防振合金的有鎂鎳合金和鎂鋯合金等。

24雙晶型防振合金

雙晶型防振合金也叫做孿晶型防振合金。當合金受到振動作用時,雙晶(孿晶)晶界在振動的作用下就會產生移動,由於消耗振動能而使振動衰減下來。目前已得到廣泛應用的鎳鈦形狀記憶合金,當初是作為防振合金進行研究的,而在一次偶然機會中才發現它具有形狀記憶的本領。屬於這一類防振合金的有錳鋼合金、銅鋁鎳合金和鎳鈦合金等。這類雙晶型防振合金,實際是投入實用最早的防振合金,在防振合金中屬於作出過重要貢獻的老前輩了。

25鈦合金

作為生物合金的鈦合金,包括純鈦和鈦鋁釩合金。這種鈦鋁釩合金的機械性能較好,除了鈷合金外,它是耐腐蝕性和生物相容性最好的合金材料。

鈦合金的最大優點是它的密度較低,主要是因為它裏麵含有密度小的鋁和釩。這樣,鈦合金就與人體骨胳相接近,植入人體後的舒適性比其他合金高。此外,它的彈性模量為不鏽鋼和鈷合金的一半,比較接近自然骨,因而可減少接合麵上的附加應力,延長了使用壽命。

26鎳合金

鎳合金中含有鈷、鋁等多種合金元素,具有優異的耐腐蝕性和耐磨性,但目前尚未廣泛用它製作人工關節等。

27鈷合金

鈷合金中含有較多的鉻、鉬,所以又稱為鈷鉻鋁合金。它的耐腐蝕性比不鏽鋼強40倍,而且耐磨性也非常優越,可在人體內使用二三十年也不產生磨損。這類合金主要用來製作人體受力最大的髓關節。

28人造金剛石

人造金剛石是將碳溶於鐵、鈷、鎳、鉻、錳等金屬溶質(作為催化劑)中,並在2750℃和約100億帕的溫壓條件下從溶質中凝結出金剛石小晶體。或者采用爆炸法生產出人造金剛石。這種爆炸法生產人造金剛石,是在百萬分之一秒爆炸的瞬時,保持100萬個大氣壓和自然急劇升溫,從而獲得了平均粒度為數毫米的人造金剛石。

人造金剛石已代替價格昂貴的天然金剛石在空間探測器的紅外發射窗、激光器元件和光纖通信等許多方麵獲得實際應用,而且需求量每年增加15%~20%。

29精陶瓷

普通陶瓷經過原料配製、坯料成型和窯爐燒成三道工序製成,而精陶瓷大多采用粉末燒結法製造,即先配製成一定成分的粉料,在壓力機上壓成坯,然後在嚴格控製溫度和壓力的爐內燒結而成。

30結構陶瓷

通常所說的結構陶瓷是指在各種工業部門中用於製造機械設備和加工工具的陶瓷。目前,最常使用的結構陶瓷是氧化鋁、碳化矽、氧化鋯和氨化矽等。這些陶瓷材料大都是用粉末原料在一定溫度和壓力下燒結而成的。就以氧化鋁陶瓷來說,它由極細的純氧化鋁粉經過壓製和燒結製成。在壓力和高溫下,微細的氧化鋁顆粒互相焊合在一起,形成細密的結晶組織,而且它的原子間距離極小。這樣,它的結合力就比其他材料大得多,即使在高溫下也比一般材料堅硬得多,因而具有優異的耐磨性,而且還具有很強的耐腐蝕性,是製作加工工具的理想材料。

31功能陶瓷

“功能陶瓷”,顧名思義,是因為它具有能將熱、電、磁、聲、光等功能互相轉換的本領。

功能陶瓷分敏感陶瓷、壓電陶瓷和磁性陶瓷三種。

敏感陶瓷對溫度、聲音、壓力、顏色和光線等變化感覺非常靈敏,並能轉變成電流或電壓的變化顯示出來。

壓電陶瓷是經過特殊處理的陶瓷。它在力的作用下,能將機械能變成電能;在電場作用下,又能把電能變成機械能。

磁性陶瓷,是帶磁性的陶瓷材料。由於它的電阻率比金屬磁性材料高得多,加之原料豐富,生產成本低,因而被用作電子計算機磁性存儲器的磁芯和電子設備的微波元件等。

32信息陶瓷

信息陶瓷是指具有絕緣性、磁性、熱電性、半導體性、電感性、壓電性和光學性能等特殊的物理性能的陶瓷,主要用在電子學和光學信息的傳送方麵,所以稱為信息陶瓷。

用二氧化矽等製成的光導纖維,就是信息陶瓷家族中的主要成員。用光導纖維製成的光纜具有容量大、抗幹擾性強的優點。1千克光纜可代替幾十千克重的有色金屬導線。

33生物陶瓷

1971年,外國科學家博丁和格裏斯等人研製成用氧化鋁陶瓷製作的人工骨、臼與金屬柄組合的人工股關節,開創了生物陶瓷在人體組織修複中應用的先例。此後,氧化鋁陶瓷便得到廣泛應用,不僅可用來製作人工膝關節、足關節、肘關節和肩關節,以及能負重的骨杆和椎體人工骨,而且還能作為修補移植海綿骨的填充材料和兼有移植骨作用的髓內固定材料。

目前,已成功地用於修複人體組織的生物陶瓷有氧化鋁、氧化鋁、羥基磷灰石、磷酸鈣、碳、碳—碳複合材料和生物玻璃等。這些陶瓷的優越性在於有足夠的強度,對人體組織無毒、無副作用,以及能長期可靠地工作等。

34高吸水性樹脂

高吸水性樹脂是以澱粉和丙烯酸鹽為原料製成的一種吸水性很強的聚合物,它能吸收相當於自身重量的500~1000倍的水分,而且保存水的能力也特別強,即使用力擠壓,依然滴水不漏,真可稱得上是位“吸水大王”。

這種樹脂為什麼能大量吸收和保存水分呢?原因就在於樹脂中含有像藤條一樣的高分子鏈。在吸水前,這些呈緊密固體狀的高分子長鏈,相互纏繞卷曲,並在一部分鏈之間形成相互交錯的網狀結構;遇到水時,在網狀結構中的離子由於帶電荷相同,便互相排斥,結果就將高分子鏈充分地擴展開了。也就是說,這時的網狀結構好像一個拉開的大網兜,因而可以吸收和儲存大量的水分。